Facteurs affectant la couleur des pigments

 

De nombreux facteurs influencent la couleur des pigments, parmi lesquels la structure chimique, la forme cristalline et le traitement de surface sont des facteurs décisifs qui affectent à la fois la couleur et les propriétés secondaires. La couleur d'un pigment est principalement déterminée par sa structure chimique. Toutefois, le type de forme cristalline, la forme, la taille des particules et le traitement de surface peuvent également modifier sa couleur. Par exemple, parmi les bleus de phtalocyanine, la forme cristalline α présente une teinte rouge, la forme cristalline β une teinte verte, et la forme cristalline ε produit un pigment bleu de phtalocyanine avec une teinte plus rouge que la forme α. Les propriétés secondaires des pigments, telles que la stabilité cristalline, la résistance à la lumière et aux intempéries, le pouvoir couvrant et la transparence, le pouvoir colorant, la brillance, la rhéologie, la dispersibilité, la résistance à la chaleur et la résistance chimique, jouent un rôle de plus en plus important dans la différenciation et la segmentation du marché.

 

 

Structure chimique

 

Sur la base de leur structure chimique générale, les pigments peuvent être classés en pigments inorganiques, pigments organiques et pigments à effets.

 

1) Pigments inorganiques :Classés par structure chimique, ils comprennent le dioxyde de titane, le noir de carbone, la série des oxydes de fer, la série des chromates de plomb, la série des oxydes de chrome et la série des oxydes de cadmium, le bleu outremer, le vanadate de bismuth et les pigments inorganiques composites.

2) Pigments organiques : Les pigments organiques sont classés par structure chimique en pigments azoïques, pigments polycycliques et pigments à complexe métallique. Les pigments azoïques sont principalement des pigments organiques traditionnels dont la couleur est peu résistante, bien qu'il existe des exceptions telles que le benzimidazolone. Les pigments de condensation diazoïques, en revanche, appartiennent à la catégorie des pigments organiques à haute performance. Les pigments polycycliques et les complexes métalliques sont des pigments organiques à hautes performances qui présentent d'excellentes propriétés de solidité de la couleur et de résistance.

 

3) Pigments à effet : Poudre d'aluminium, poudre de cuivre, aluminium métallique, mica naturel, mica synthétique, paillettes de verre, oxychlorure de bismuth, paillettes de graphite, couleurs structurelles de polymères et pigments colorés, entre autres.

Cristal et traitement de surface

 

La taille des particules, la distribution des tailles, la forme des cristaux, la structure des cristaux et la cristallinité des cristaux de pigments influencent tous la performance de la couleur et les propriétés secondaires. Les poudres présentent des structures cristallines ou amorphes, tandis que les pigments existent toujours sous forme cristalline. Les cristaux de pigment représentent les plus petites particules de pigment, constituées d'atomes ou de molécules disposés et assemblés selon des schémas spécifiques. Leurs formes distinctes et leurs microstructures peuvent être observées au microscope électronique.

Les plus petites particules présentes dans les dispersions de pigments sont appelées particules primaires, avec des diamètres allant d'environ 0,05 à 1 μm. Elles présentent diverses formes telles que des cubes, des sphères, des bâtonnets et des aiguilles.

 

En raison de leur énergie de surface élevée, les particules primaires ont une forte tendance à s'agréger spontanément et à réduire l'énergie de surface. Elles forment généralement des agrégats étroitement structurés par le biais d'une liaison aléatoire bord à bord ou face à face. Ces agrégats ont des diamètres plus importants que les particules primaires, généralement compris entre 1 et 10 μm. Au cours des processus de filtration et de séchage dans la fabrication des pigments, les particules primaires et les agrégats, ou les agrégats eux-mêmes, s'agglomèrent pour former des agglomérats plus grands, plus faiblement structurés, dont la taille des particules dépasse 10μm.

Les caractéristiques des cristaux de pigments se manifestent généralement par les propriétés suivantes, chacune exerçant une influence plus ou moins grande sur les performances du pigment. La taille, la forme et la distribution des particules ont des effets particulièrement importants sur les propriétés des pigments.

• Taille des particules Généralement petites, mesurées en micromètres (μm).
• La distribution de la taille des particules, communément mesurée par des paramètres tels que D10, D50 et D90. Par exemple, un D50 de 20μm indique que 50% des particules de pigment ont un diamètre moyen de 20μm.
• Forme des particules de cristal, telles que aciculaires, sphériques, cubiques ou autres.
• Structure cristalline : Un même pigment peut présenter plusieurs formes cristallines. Par exemple, le bleu de phtalocyanine a des formes α, β et ε, tandis que le dioxyde de titane existe sous forme d'anatase, de rutile et de brookite. Les différentes structures cristallines permettent d'obtenir des propriétés colorimétriques et des caractéristiques secondaires variées.
• La cristallinité affecte principalement la solidité de la couleur. L'augmentation de la cristallinité améliore la résistance à la lumière, aux intempéries et à la chaleur d'un pigment, tout en améliorant ses propriétés rhéologiques, sa résistance aux solvants et sa résistance à la décoloration.

 

Le traitement de surface est un processus et une technologie essentiels dans le traitement des pigments. La fonction première du traitement de surface est de modifier la polarité de la surface des particules, afin d'assurer une bonne compatibilité entre le pigment et le milieu d'application. Cela améliore les propriétés d'application telles que la dispersion, la rhéologie, la résistance et la stabilité du système de dispersion. Le même pigment peut subir différents traitements de surface pour produire des types de produits présentant des propriétés d'application spécifiques, telles qu'une dispersion facile, une antifloculation, un pouvoir couvrant élevé ou une grande transparence, ainsi qu'une aptitude aux applications à base de solvant ou à base d'eau.

 

L'effet de la taille des particules sur les pigments

 

La taille des particules des pigments de structures différentes varie également beaucoup. En général, les pigments inorganiques ont des particules plus grosses que les pigments organiques. Parmi les pigments inorganiques, le noir de carbone a des particules très petites, voire plus petites que certains pigments organiques, tandis que le dioxyde de titane et les oxydes de fer ont des particules plus grandes. La taille des particules d'oxyde de fer rouge peut atteindre des dizaines de fois celle du dioxyde de titane.

Effet de la taille des particules sur la teinte

La teinte des pigments de structure chimique identique varie en fonction de la taille des particules. Pour un pigment donné, l'angle de couleur augmente lorsque la taille des particules diminue et diminue lorsque la taille des particules augmente. Lorsque la taille des particules d'un pigment spécifique diminue, sa teinte se déplace dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sur la roue chromatique. Inversement, lorsque la taille des particules augmente, la teinte se déplace vers les teintes adjacentes dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

 

Effet de la taille des particules sur la surface et les propriétés

Plus la taille des particules de pigment est petite, plus leur surface spécifique est grande. Les particules plus petites présentent une capacité d'adsorption plus forte et une viscosité plus élevée dans le milieu, ce qui nécessite naturellement de plus grandes quantités de dispersants pour la dispersion et la réduction de la viscosité. Les différentes tailles de particules d'un même pigment présentent des caractéristiques distinctes en termes de saturation des couleurs, de rhéologie, de transparence ou de pouvoir couvrant, de pouvoir colorant et de résistance aux intempéries.

Petite taille des particules	Performance	Grande taille des particules
Grande transparence	Transparence/Opacité	Couverture élevée
Haut	Intensité de la teinte	Faible
Pauvre	Rhéologie	Bon
Pauvre	Résistance aux intempéries	Bon
Haut	Saturation des couleurs	Faible

 

L'effet de la distribution de la taille des particules sur le broyage et la dispersion

Le broyage et la dispersion des pigments impliquent l'utilisation de forces de cisaillement pour briser les agglomérats en agrégats ou, idéalement, en particules primaires, ce qui améliore les performances. Simultanément, les pigments dont la distribution granulométrique est plus étroite présentent une saturation de la couleur et un pouvoir colorant plus élevés. Le diagramme de distribution de la taille des particules ci-dessous, montrant le bleu de phtalocyanine en phase β dans un système aqueux après différents temps de dispersion, montre clairement que l'augmentation du temps de broyage entraîne des tailles moyennes de particules progressivement plus fines et une distribution plus concentrée, se rapprochant d'une distribution idéale. Cependant, un broyage excessif peut parfois entraîner des effets indésirables tels que des changements de teinte et une diminution des performances.

 

Outre les facteurs susmentionnés, la forme du cristal influence également de manière significative les propriétés rhéologiques des pigments. Les agrégats formés par les particules de pigment dont les cristaux ont la forme d'une plaque ou d'un bâtonnet présentent des volumes plus importants que les agrégats provenant de particules ayant d'autres formes de cristaux. Dans des conditions identiques, ces agrégats possèdent une viscosité plus faible et font preuve d'une dispersibilité relativement supérieure dans le milieu de dispersion.